On the use of weather radar for mesoscale applications in northern conditions

Mesoscale weather phenomena, such as the sea breeze circulation or lake effect snow bands, are typically too large to be observed at one point, yet too small to be caught in a traditional network of weather stations. Hence, the weather radar is one of the best tools for observing, analyzing and understanding their behavior and development. A weather radar network is a complex system, which has many structural and technical features to be tuned, from the location of each radar to the number of pulses averaged in the signal processing. These design parameters have no universal optimal values, but their selection depends on the nature of the weather phenomena to be monitored as well as on the applications for which the data will be used. The priorities and critical values are different for forest fire forecasting, aviation weather service or the planning of snow ploughing, to name a few radar-based applications. The main objective of the work performed within this thesis has been to combine knowledge of technical properties of the radar systems and our understanding of weather conditions in order to produce better applications able to efficiently support decision making in service duties for modern society related to weather and safety in northern conditions. When a new application is developed, it must be tested against ground truth . Two new verification approaches for radar-based hail estimates are introduced in this thesis. For mesoscale applications, finding the representative reference can be challenging since these phenomena are by definition difficult to catch with surface observations. Hence, almost any valuable information, which can be distilled from unconventional data sources such as newspapers and holiday shots is welcome. However, as important as getting data is to obtain estimates of data quality, and to judge to what extent the two disparate information sources can be compared. The presented new applications do not rely on radar data alone, but ingest information from auxiliary sources such as temperature fields. The author concludes that in the future the radar will continue to be a key source of data and information especially when used together in an effective way with other meteorological data.

Säätutka ei ole pelkkä sadetutka, vaan sen mittauksista saadaan monipuolista tietoa ilmakehän tilasta. Erityisen tärkeitä nämä mittaukset ovat, kun tarkastellaan keskikokoisia sääilmiöitä tyypillisesti muutamia tunteja kestäviä, alle sadan kilometrin kokoisia ilmiöitä kuten merituulikiertoliikettä ja Suomenlahden lumikuuronauhoja. Ne ovat niin suuria, ettei niistä saa yhdestä paikasta katsoen käsitystä, ja kuitenkin niin pieniä, että mahtuvat piileksimään kahden sääaseman välissä. Tällaisten ilmiöiden havaitsemisessa tutkan noin yhden kilometrin ja viiden minuutin välein sijoittuvat mittauspisteet ovat omiaan. Tämän työn alkuosassa keskitytään siihen, miten säätutkalla kannattaa mitata tällaisessa ilmastossa, jossa räntäsade on yleisempää kuin tuhoisat tornadot. Mittausten suunnittelun pohjana on sekä tekniikan että ilmakehän ymmärtäminen, ja se vaatii aina kompromisseja. Työn muodostavista artikkeleista kahdessa ensimmäisessä käydään läpi näitä kompromisseja ja kuvataan paitsi se, mitä valintoja on tehty, myös perustelut näille valinnoille. Tarkoituksena on auttaa sellaista lukijaa, joka joutuu mittaamaan samalla laitteella erilaisessa ilmastossa tai erilaisella laitteella samassa ilmastossa. Kun mittaukset on tehty, alkaa tiedon analysoiminen. Siinä nojataan jälleen ilmakehän ymmärtämiseen ja muihin samaan aikaan tehtyihin havaintoihin. Silloin, kun tutkatiedosta pyritään löytämään ilmiöitä joita ei muilla havaintolaitteilla nähdä, on vaikea tietää, kuinka hyvin tämä analysointi onnistui. Yksi tämän väitöskirjatyön tavoitteista onkin ollut löytää menetelmiä, joilla voi verrata hyvin eriluonteisia havaintoja toisiinsa. Työn kolmessa viimeisessä artikkelissa säätutkaa käytetään raekuurojen tunnistamiseen ja lumisateen heikentämän näkyvyyden arviointiin. Muina sovellusesimerkkeinä on mainittu lyhyet sade-ennusteet ja metsäpalovaaran arviointi. Kaikki nämä ovat sovelluksia, joissa hyvin käytetty säätutka tuo ainutlaatuista lisätietoa ilmakehän keskikokoisten ilmiöiden ominaisuuksista.